Forskere, der først fanger lys- og lydvibrationer sammen i nanokrystal

(PhysOrg.com) - Forskere ved California Institute of Technology har skabt en krystalenhed i nanoskala, der for første gang, giver forskere mulighed for at begrænse både lys- og lydvibrationer i det samme lille rum.

"Dette er et helt nyt koncept, " bemærker Oskar Painter, lektor i anvendt fysik ved Caltech. Maleren er den primære efterforsker på papiret, der beskriver arbejdet, som blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftets onlineudgave Natur . "Folk har vidst, hvordan man manipulerer lys, og de har vidst, hvordan man manipulerer lyd. Men de havde ikke indset, at vi kan manipulere begge dele på samme tid. og at bølgerne vil interagere meget stærkt inden for denne enkelte struktur."

Ja, Maleren påpeger, samspillet mellem lyd og lys i denne enhed – kaldet en optomekanisk krystal – kan resultere i mekaniske vibrationer med frekvenser så høje som titusvis af gigahertz, eller 10 milliarder cyklusser i sekundet. At være i stand til at opnå sådanne frekvenser, han forklarer, giver disse enheder mulighed for at sende store mængder information, og åbner op for en bred vifte af potentielle applikationer - alt fra lysbølgekommunikationssystemer til biosensorer, der er i stand til at detektere (eller veje) et enkelt makromolekyle. Det kunne også, Maleren siger, bruges som et forskningsværktøj af forskere, der studerer nanomekanik. "Disse strukturer ville give en massefølsomhed, der ville konkurrere med konventionelle nanoelektromekaniske systemer, fordi lys i disse strukturer er mere følsomme over for bevægelse end et konventionelt elektrisk system er."

"Og alt dette, " tilføjer han, "kan gøres på en siliciummikrochip."

Optomekaniske krystaller fokuserer på de mest basale enheder - eller kvanter - af lys og lyd. (Disse kaldes fotoner og fononer, hhv.) Som maleren bemærker, der har været en rig historie af forskning i både fotoniske og foniske krystaller, som bruger små energifælder kaldet bandgaps til at fange mængden af ​​lys eller lyd i deres strukturer.

Hvad der ikke var blevet gjort før, var at sætte de to typer krystaller sammen og se, hvad de er i stand til at gøre. Det er, hvad Caltech-teamet har gjort.

"Vi har nu evnen til at manipulere lyd og lys i den samme nanoplatform, og er i stand til at interkonvertere energi mellem de to systemer, " siger Painter. "Og vi kan konstruere disse på næsten ubegrænsede måder."

Lydstyrken, hvori lys og lyd er begrænset samtidigt, er mere end 100, 000 gange mindre end en menneskelig celle, bemærker Caltech-kandidatstuderende Matt Eichenfield, avisens første forfatter. "Dette gør to ting, " siger han. "Først samspillet mellem lys og lyd bliver stærkere, efterhånden som den lydstyrke, de er begrænset til, aftager. Sekund, mængden af ​​masse, der skal bevæge sig for at skabe lydbølgen, bliver mindre, når lydstyrken falder. Vi lavede lydstyrken, som lyset og lyden lever i, så lille, at den masse, der vibrerer for at lave lyden, er omkring ti gange mindre end en billiontedel af et gram."

Eichenfield påpeger, at ud over at måle højfrekvente lydbølger, holdet demonstrerede, at det faktisk er muligt at producere disse bølger ved kun at bruge lys. "Vi kan nu konvertere lysbølger til mikrobølge-frekvens lydbølger på overfladen af ​​en silicium mikrochip, " han siger.

Disse lydbølger, tilføjer han, er analoge med lysbølgerne fra en laser. "Den måde, vi har designet systemet på, gør det muligt at bruge disse lydbølger ved at dirigere dem rundt på chippen, og få dem til at interagere med andre on-chip-systemer. Og, selvfølgelig, we can then detect all these interactions again by using the light. I det væsentlige, optomechanical crystals provide a whole new on-chip architecture in which light can generate, interact with, and detect high-frequency sound waves."

These optomechanical crystals were created as an offshoot of previous work done by Painter and colleagues on a nanoscale "zipper cavity, " in which the mechanical properties of light and its interactions with motion were strengthened and enhanced.

Like the zipper cavity, optomechanical crystals trap light; the difference is that the crystals trap—and intensify—sound waves, såvel. Similarly, while the zipper cavities worked by funneling the light into the gap between two nanobeams—allowing the researchers to detect the beams' motion relative to one another—optomechanical crystals work on an even tinier scale, trapping both light and sound within a single nanobeam.

"Here we can actually see very small vibrations of sound trapped well inside a single 'string, ' using the light trapped inside that string, " says Eichenfield. "Importantly, although the method of sensing the motion is very different, we didn't lose the exquisite sensitivity to motion that the zipper had. We were able to keep the sensitivity to motion high while making another huge leap down in mass."

"As a technology, optomechanical crystals provide a platform on which to create planar circuits of sound and light, " says Kerry Vahala, the Ted and Ginger Jenkins Professor of Information Science and Technology and professor of applied physics, and coauthor on the Nature paper. "These circuits can include an array of functions for generation, opdagelse, and control. I øvrigt, " han siger, "optomechanical crystal structures are fabricated using materials and tools that are similar to those found in the semiconductor and photonics industries. Collectively, this means that phonons have joined photons and electrons as possible ways to manipulate and process information on a chip."

And these information-processing possibilities are well within reach, notes Painter. "It's not one plus one equals two, but one plus one equals ten in terms of what you can do with these things. All of these applications are much closer than they were before."

"This novel approach to bringing both light and sound together and letting them play off of each other exemplifies the forward-thinking work being done by the Engineering and Applied Science (EAS) division, " says Ares Rosakis, chair of EAS and Theodore von Kármán Professor of Aeronautics and Mechanical Engineering at Caltech.

More information: "Optomechanical crystals, " Natur .

Source:California Institute of Technology (news :web)